противогазе). При повреждении емкостей с хладагентом всем работающим необходимо покинуть помещение. Продолжать работы можнотолькопослеполногопроветриванияпомещенияилившланговом изолирующем противогазе.

1.12.2. Теплоносители

Теплоноситель(хладоноситель) — этопромежуточноевещество, предназначенное для отвода тепла от охлаждаемых объектов и передачи его хладагенту. Такая передача тепла обычно происходит на некотором расстоянии от охлаждаемого объекта. Теплоносителиподразделяются нажидкиеигазообразные. Кжидкимотносятся вода, рассолы (водные растворы солей), растворы этиленгликоля, глицерин и др. Газообразными теплоносителями являются воздух

идругие газы.

Ктеплоносителям предъявляются следующие требования: низкая температура замерзания и незначительная вязкость при низких температурах; достаточно высокая теплоемкость; дешевизна, безвредность, негорючесть, нейтральность к конструкционным материалам; стабильность свойств.

Наиболее доступные теплоносители: воздух, водa и водные растворы солей.

Атмосферный воздух — это собой смесь различных газов. Основные его параметры: влажность (абсолютная и относительная), влагосодержание, энтальпия(теплосодержание), теплоемкость, теплопроводность. Ввоздухевсегдаимеетсяотнесколькихдесятыхдолей процента до 3—4 % водяных паров. Влажный воздух обычно рассматривают как смесь двух идеальных газов: сухого воздуха и водяного пара.

Содержание в воздухе водяных паров в отличие от состава сухого воздуха колеблется в довольно больших пределах. Вне помещений содержание водяных паров зависит от времени года, погоды и местных климатических условий. В помещениях их содержание, кроме того, зависит от конкретных условий и в первую очередь от относительного(кобъемупомещения) количестваприсутствующих людей.

Максимальное содержание водяных паров в воздухе определяетсяпределомнасыщения, прикоторомдальнейшееувеличениесодер-

84

жания паровнепроисходит, таккакониначинают конденсироваться и выпадать в виде капель воды, а при температурах ниже 273 К (0 °С)

— в виде инея. Чем выше температура воздуха, тем больше в нем может содержаться водяных паров и каждой данной температуре соответствует свой определенный предел насыщения. Поэтому если температура влажного воздуха понижается, то при достижении определенного уровня, называемого точкой росы, происходит конденсациянаходящихсявнемводяныхпаровсвыпадениемросыилиинея. В этом состоянии воздух называется насыщенным.

Предел насыщения воздуха водяными парами зависит также и отего давления. Однако давление атмосферного воздуха вего нижнихзонахизменяется воченьнезначительных пределах ипоэтомув процессах, связанных с кондиционированием воздуха на железнодорожном транспорте, им пренебрегают.

Сухой воздух в насыщенном состоянии в пределах температур и давлений, имеющихместовпроцессахкондиционирования, посвоимфизическимсвойствамблизоккидеальнымгазамиподчиняется законам идеальных газов.

В кондиционировании воздуха при расчётах, связанных с определениемобъемоввоздуха(например, прирасчетахпроизводительности вентиляции и скоростей движения воздуха в воздуховодах), влажностью воздуха обычно пренебрегают. В теплотехнических расчетах, связанных с использованием теплоемкости и теплосодержания воздуха, его всегда рассматривают как смесь из двух составляющих: сухого воздуха и водяного пара.

Масса водяных паров, содержащаяся в 1 м3 влажного воздуха, называется его абсолютной влажностью, измеряемой в килограммах.

Отношение количества содержащихся в воздухе водяных паров к их количеству, насыщающему воздух при тех же температуре и давлении, называется относительной влажностью ϕ. Относительную влажность воздуха принято выражать в процентах. Для совершенно сухого воздуха ϕ = 0 %, для насыщенного ϕ = 100 %.

Масса водяных паров, содержащаяся в 1 кг сухого воздуха, называется его влагосодержанием и обозначается буквой х (кт/г) Величина х всегда является дробной, что неудобно для расчетов, поэтому влагосодержание, как правило, выражают в размерности г/ кг и обозначают буквой d.

85

Количество тепла, которое содержится в 1 кг воздуха, зависит от его температуры t и влагосодержания d, называется удельным теплосодержанием (или удельной энтальпией) и обозначается буквойI. Приопределениитеплосодержаниявоздухаучитываетсяскрытая теплота парообразования воды, равная 2491,15 кДж/кг.

Удельноетеплосодержаниевлажноговоздухаравносуммеудельных теплосодержаний сухого воздуха и содержащегося в нем водяного пара. Оно определяется по формуле (кДж/кг):

I = 1,084t + 1000d (2491 +1,926t).

Приведенныевышепонятия— относительнаяиабсолютнаявлажность воздуха — по своему значению принципиально различны.

Относительная влажность воздуха имеет большое гигиеническое значение и, наоборот, с точки зрения теплотехнических расчетов относительная влажность воздуха значения не имеет.

Абсолютная влажность воздуха (в килограммах на кубометр сухого воздуха) или его влагосодержание (в килограммах или граммах на килограмм сухого воздуха) сами по себе без учета температуры на организм человека не действуют. При теплотехнических же расчетах, связанных с кондиционированием воздуха, эти параметры имеют первостепенное значение.

Для уяснения сказанного следует учитывать, что высокая относительная влажность может соответствовать низкому влагосодержанию и наоборот.

Например, приϕ=100 % иt =5 °С влагосодержаниеd = 5,4 г/кг, при

ϕ = 70 % иt = 20 °Сd = 10,5 г/кг, приϕ = 40 % иt = 35 °Сd = 14,8 г/кг.

Соотношение основных параметров влажного воздуха — температуры, относительнойвлажности, влагосодержания, удельноготеплосодержания — можно определять по специальным таблицам или по диаграмме I—d влажного воздуха, впервые предложенной профессором. Л. К. Рамзиным (I—d-диаграмма приведена на рис 1.28).

Эта диаграмма представляет собой графическую интерпретацию уравнения энтальпии влажного воздуха. Она выражает в графическом виде связь основных параметров влажного воздуха (τ, ϕ, pп, d, I).

86

Рис. 1.28. I—d-диаграмма влажного воздуха при давлении 105 Па

87

ДиаграммасоставляетсядлядавлениявоздухаР= 750 ммрт. cт.=

=105 Па или для давлений 760 и 745 мм рт. ст. Такие относительно небольшиеразличиябарометрическогодавлениямаловлияют; втехнических расчетах можно допустить применение I—d-диаграмм, построенных при любом из указанных значений давления.

I—d-диаграмма построена в косоугольной системе координат. Вертикальная ось ординат, на которой отложены значения энтальпий I, проходитподуглом135° косиабсцисссозначениямивлагосодержаний d. Дляудобстваотсчетавлагосодержанийосьабсцисснадиаграммуне наносится, а вместо нее через начало координат проводится вспомогательная горизонтальная линия, на которой откладываются значения влагосодержаний. Вертикали, проведенные через полученные точки, представляют линии постоянного влагосодержания d = const. На оси ординатвверхивниз, отточкиО, соответствующей.

I = 0 и d = 0, отложены значения энтальпии и проведены линии I

=const параллельно оси абсцисс, т.е. под углом 135° к вертикали. На полученной сетке из параллелограммов строятся прямые линии

изотерм(t = const) икривыелиниипостояннойотносительнойвлажности (ϕ = const). Нижняя кривая ϕ = 100 % характеризует состояние насыщенного воздуха (кривая насыщения).

НаI—d -диаграммунаносятсятакжезначенияпарциальныхдав-

лений водяного пара Рп.

Точка на I—d диаграмме обозначает вполне определенное состояние воздуха, положение точки определяет его параметры: температуру, относительную влажность, влагосодержание, энтальпию, парциальноедавление. Прямаялиния, соединяющаялюбыедветочки, соответствует некоторому термодинамическому процессу перехода из одногосостояниявдругое. Еслипараметрыначальногоиконечногосостояния воздуха соответственно d0 и I0, d и I, то отношение

называется угловым коэффициентом луча тепловлажностного процесса, характеризующимизменениесостояниявоздуха. Угловой коэффициент — размерность кДж/кг влаги показывает, какое количество тепла получает или отдает воздух на каждый 1 кг воспринятой или отданной влаги.

88

Рассмотрим некоторые характерные точки на I—d-диаграмме (рис. 1.29). Если из произвольной точки А провести луч АБ по вертикали (d = const), то процесс будет характеризовать нагревание воздуха без изменения его влагосодержания. Если провести луч АВ до пересечения с кривой насыщения, то этот луч будет представлять процесс охлаждения, а точка В — точку росы (соответствующая ей температура tр — температура точки росы). Если воздух в состоянии, определяемом точкой A, увлажнять без подвода или отвода тепла, то процесс, характеризующийся линией АГ, будет происходить без изменения энтальпии (I = const). Точка Г на пересечении этой линии с кривой насыщения называется точкой мокрого термометра, а соответствующая ей температура tм — температурой мокрого термометра (температура влажного воздуха в процессе адиабатического увлажнения при условии полного насыщения). Зная температуры по мокрому и сухому термометрам, можно определитьотносительнуювлажностьвоздуха, чтоиспользуетсявпсих- ро-метрических методах определения этой величины.

При изотермическом насыщении воздуха водяными парами (I = const) его состояние при полном насыщении определится пересечением изотермы, проведенной из точки А до пересечения с пограничной кривой в точке Д, называемой точкой изотермического увлажнения воздуха. В процессе, определяемом линией АД, влагосодержание и энтальпия увеличиваются.

При кондиционировании воздуха происходят более сложные процессы, чем рассмотренные при постоянных значениях d, I, t. По линии АЕ происходит охлаждение и осушка, а по AЖ — нагревание и увлажнение воздуха. В различных случаях изменения состояния воздуха угловой коэффициент может изменяться от + до – .

Если влажный воздух отдает тепло и влагу (I < I0; d < d0), то это соответствует процессу охлаждения и одновременной осушки воздуха. Угловойкоэффициентвэтомслучаепредставляетсявследующемвиде;

Вслучаеотдачитеплапринеизменномвлагосодержаниипроцессхарактеризуетсялучом, параллельнымлинииd = const, инаправленвниз:

89

Рис. 1.29. Некоторые характерные точки и процессы на I—d-диаграмме

90

Если влажный воздух получает влагу при неизменной энтальпии (адиабатический процесс), то луч процесса направлен по линии I = const и, следовательно, угловой коэффициент

В случае нагревания влажного воздуха при неизменном влагосодержаниипроцессбудетхарактеризоватьсялучом, параллельным линии d = const и направленным вверх:

Приодновременномпоглощениитеплаивлагинаправлениелуча процесса будет характеризоваться угловым коэффициентом

При кондиционировании воздуха в пассажирских вагонах происходит смешивание двух потоков влажного воздуха, наружного и рециркуляционного (из помещения вагона) с последующим охлаждением смеси. Параметры смеси могут быть определены аналитически или по I—d-диаграмме. Если смешивается m1 кг воздуха с параметрами t1 d1, I1 с m2 кг воздуха с параметрами t2, d2, I2. то параметры смеси, имеющей массу т = т1 + т2, могут быть рассчитаны по балансу тепла и влаги. Влагосодержание, температура и энтальпия будут соответственно:

d = m1d1 + m2d2 ; m

t = m1t1 + m2t2 ; m

I = m1I1 + m2 I2 . m

91

Если смешивается масса воздуха т1 с параметрами, определяемыми на I—d-диаграмме точкой 3 (рис. 1.29), и масса воздуха тг с параметрами, определяемыми на I—d-диаграмме точкой И, то параметры смеси представляются точкой К, расположенной на отрезке прямой ЗИ, причем должно выполняться отношение

ЗК/КИ = m2/m1,

т.е. точка К делит линию ЗИ на отрезки, обратно пропорциональные массам составных частей.

Для определения всех параметров влажного воздуха по I—d-ди- аграмме достаточно знать только два параметра.

I—d-диаграмма широко применяется для расчета процессов изменения температурно-влажностного состояния воздуха в системе кондиционирования воздуха пассажирского вагона.

ДляосвоенияI—d-диаграммывлажноговоздухарассмотримре- шения следующих задач:

1.Определить относительную влажность воздуха по температурам сухого термометра t –27 °С и мокрого термометра психромет-

ра Ассмана tм = 18 °С.

Находим на левой кромке диаграммы температуру 18 °С. Далее находим точку пересечения изотермы 18 °С с кривой насыщения (точка А’) и из этой точки параллельно наклонным штриховым линиям проводим прямую до пересечения с изотермой 27 °С (точка

А). Относительная влажность воздуха определяется положением точки А, которая находится немного выше кривой ϕ = 40 %. По масштабу с учетом его нелинейности (расстояние между ϕ = 30 % и

ϕ= 31 % больше, чем между ϕ = 39 % и ϕ = 40 %) примерно определяем искомое значение ϕА = 39 %.

2.Определить точку росы, т.е. температуру, при которой из охлаждаемого воздуха с начальной температурой 30 °С и относительной влажностью 40 % начнет выпадать влага.

Находим на диаграмме точку, отвечающую указанным значениям, соединяем этуточкулинией влагосодержания скривой насыщения и по изотермам находим искомую температуру, которая в данном случае составляет 15,3 °С.

В этом примере вследствие его простоты на диаграмме не отмечены линии построения и сама точка.

92

3. Найтитеплосодержаниеивлагосодержаниевоздуха, имеющего температуру 25 °С и относительную влажность 70 %.

На пересечении изотермы t = 25 °С и кривой относительной влажности ϕ = 70 % отмечаем точку Б, которая лежит между линиями теплосодержаний 60 и 65 (ближе к 60) кДж/кг. По масштабу определяем теплосодержание i = 62,7 кДж/кг. Проведя из точки Б линию, параллельную линиям влагосодержаний, до нижней кромки диаграммы, такимжеобразомпомасштабунайдемвлагосодержаниеd = 14,3 г/кг.

Из приведенных примеров легко уяснить, что, зная два любых параметравлажноговоздуха, можнопоI—d-диаграммеустановить все остальные.

I—d-диаграмма дает возможность не только определять параметрывоздуха, номожетбытьиспользованаидляграфическихрасчетов процессов температурно-влажностного изменения его состояния. В частности, при помощи этой диаграммы можно определять параметры смеси различных количеств воздуха, имеющих разные параметры, что часто приходится делать при расчетах установок кондиционирования воздуха.

Предположим, необходимо определить температуру, удельные влагосодержание, теплосодержание и относительную влажность смеси воздуха, состоящей из одной части с массой G1 = 500 кг, температурой t1 = 40 °С и относительной влажностью ϕ = 30 % и другой части с массой G2 – 1100 кг. температурой t2= 26 °С и относительной влажностью ϕ2 = 70 %.

Графическое решение задачи выполняется просто: находим на диаграмметочкиВиГ, отвечающиепараметрамсоответственнопервой и второй составляющих, соединяем их прямой, откладываем на этой прямой отрезки обратно пропорционально массам (или долям) составляющихинаходимточкуД, покоторойопределяемуказанными выше способами искомые параметры смеси tсм = 30,4 °С, dсм = – 14,85 г/кг, Iсм = 68,7 кДж/кг и ϕсм = 53%. Искомая точка Д смеси всегдарасположенаближекточкетойизсоставляющих, массакоторой больше.

Расчетное решение этой же задачи значительно сложнее:

93

Длярасчетаdсм иIсм необходимопредварительнопотаблицамили поI—d-диаграммеопределитьзначенияIиd составляющихчастейвоздуха(которымиприграфическомрешениимыдаженеинтересовались):

по формуле, аналогичной трем предыдущим, нельзя вследствие ее нелинейности этим величинам. Поэтому значение ϕсм определяют по любым двум из трех уже известных величин, например, tсм и dсм или tсм и Iсм, используя таблицы или I—d-диаграмму.

Вода имеет высокую теплоемкость (в 4 раза выше теплоемкости воздуха), что важно для теплоносителя, но одновременно и высокуютемпературузамерзания, чтосущественноограничиваетееприменениевкачествехладоносителя. Онаприменяетсятолькодлятемператур выше 0 °С (на химических заводах, а также при кондиционировании воздуха, охлаждении напитков, молока и др.)

Растворы солей (хлористого кальция СаСl2, поваренной соли NaCl и хлористого магния MgСl2), или рассолы применяют в качестве хладоносителей для температур ниже 0 °С.

Свойстварассоловзависятотконцентрациисоливрастворе. Сувеличениемконцентра-

94

лов льда и соли (криогидрата). Увеличение концентрации соли выше криогидратногосодержанияприводиткповышениютемпературызамерзания рассола (правые ветви кривых на рис. 1.30). При этом будут выделяться кристаллы соли. При замерзании рассола с концентрацией ниже криогидратной точки происходит выделение водного льда.

Криогидратная точка для водного раствора NaCl характеризуется температурой — 21,2 °С и содержанием 29 % (по массе) соли в воде, длярастворовСаСl2 иMgСl2 — соответственно–55 °Си42,7 %, –33,6 °С и 27,6 %.

С увеличением концентрации возрастает плотность рассола и снижается его теплоемкость, что приводит к увеличению затрат энергии на циркуляцию в охлаждающей системе. Поэтому при выборе концентрации ограничиваются областью ненасыщенного раствора, лежащей над кривой выделения кристаллов льда.

Раствор хлористого кальция применяют для создания температур до –50 °С, раствор поваренной соли — до –15 °С. Рассолы вызывают усиленную коррозию металла. Разъедающее действие рассолов снижают путем добавления специальных веществ — пассиваторов или ингибиторов (бихромат натрия, едкий натр). Их добавляют, соблюдая правила обращения с едкими веществами, до получения слабощелочной реакции рассола (проверяется фенолфталеином). Плотность раствора определяютприпомощиареометраиливзвешиванием1 лрассола.

Для увеличения срока службы охлаждающих приборов в качестве хладоносителейприменяютименеекоррозионно-активныевещества, например водный раствор этиленгликоля (антифриза), температура замерзаниякотороговзависимостиотконцентрацииприведенаниже.

Наряду с интенсивной коррозией рассольным системам свойствен еще один большой недостаток, связанный с необходимостью работы при пониженных температурах кипения, а следовательно, с большей затратой энергии. Поэтому применение установок с промежуточным теплоносителем в каждом конкретном случае должно быть подтверждено технологической необходимостью или соображениями безопасности.

95